DE19730292C1 - Anlage zur Entfernung gasförmiger organischer Stoffe aus der Luft - Google Patents

Anlage zur Entfernung gasförmiger organischer Stoffe aus der Luft

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Entfernung gasförmiger organischer Stoffe aus der Luft nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Anlage ist aus JP 07227420 A bekannt. Dabei ist ein Desorptionskörper aus Desorptionselementen vorgese­ hen, die aus einem mit einem Oxidationskatalysator überzo­ genen Mikrowellen adsorbierenden Material bestehen und ei­ nem Mikrowellenofen zur Desorption und Zersetzung der ad­ sorbierten Geruchsstoffe ausgesetzt werden. Aus JP 4-114721 A ist eine Raumluft-Reinigungsanlage bekannt, bei der zwi­ schen einem Adsorber und einem Katalysator eine intermit­ tierend arbeitende Heizeinrichtung angeordnet ist, um den Adsorber zu desorbieren und das Desorbat mit dem Katalysa­ tor zu zersetzen. Bei den bekannten Anlagen ist jedoch der Adsorber während der Desorptionsphase unwirksam.
Da polare Moleküle, insbesondere Wasser, Mikrowellen absor­ bieren, ist es bekannt, Wasser, aber auch andere polare or­ ganische Verbindungen, wie Alkohole, die an ein Adsorpti­ onsmittel adsorbiert sind, mit einem Mikrowellen-Generator zu verdampfen, um das Adsorptionsmittel zu regenerieren.
Weniger polare oder gar unpolare organische Verbindungen können auf diese Weise jedoch nicht entfernt werden. In der Luft ist jedoch auch eine Reihe unpolarer oder wenig pola­ rer organischer Schadstoffe enthalten, die durch das Ad­ sorptionsmittel adsorbiert werden und damit bei der Regene­ ration wieder desorbiert werden müssen. Als nichtpolare or­ ganische Verbindungen in der Luft sind beispielsweise Alka­ ne oder andere aliphatische Kohlenwasserstoffe sowie aroma­ tische Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Benzol, zu nen­ nen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kontinuierlich wirksame, energetisch günstig arbeitende Anlage zur Entfernung gas­ förmiger organischer Stoffe aus der Luft bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekenn­ zeichneten Anlage erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 13 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage wiedergegeben.
Erfindungsgemäß werden die adsorbierten organischen Stoffe zur Regeneration des Adsorptionsmittels durch Einstrahlung von Mikrowellen-Energie desorbiert. Dabei erfolgt der Ener­ gieeintrag entweder durch direkte Anregung des Adsorbats (besonders bei polaren Verbindungen, wie Wasser, Ethanol oder Aldehyde) und/oder dadurch, daß das Adsorptionsmittel Mikrowellen absorbiert. Im Gegensatz zur Desorption polarer Verbindungen wird im letzteren Fall das mikrowellenabsor­ bierende Adsorptionsmittel selbst aufgeheizt, so daß auch unpolare oder wenig polare organische Verbindungen ver­ dampft, also desorbiert werden.
Als Adsorptionsmittel zur Luftreinigung haben sich insbe­ sondere Zeolithe als geeignet erwiesen und zwar hydrophobe Zeolithe, also Zeolithe mit einem hohen Silicium/Aluminium- Molverhältnis, während hydrophile Zeolithe mit einem nied­ rigen Silicium/Aluminium-Molverhältnis bevorzugt Wasser ad­ sorbieren und damit nur noch eine geringe Adsorptionskapa­ zität für die in der Luft enthaltenen organischen Schad­ stoffe besitzen, also zur Luftreinigung ungeeignet sind.
Die Mikrowellenanregbarkeit eines zeolithischen Adsorpti­ onsmittels ist durch die Ionenleitfähigkeit der austausch­ baren Kationen in Zeolith bedingt. Die Ionenleitfähigkeit entsteht durch Platzwechsel der relativ beweglichen Katio­ nen im Zeolithgitter. Die Ionenleitfähigkeit kann u. a. durch die Wahl die Kations, den Aluminiumgehalts des Gitters (Modul), den Gittertyp und den Wassergehalt beeinflußt wer­ den. Da auch der Dipolcharakter des Zeolithgitters von der Ionenleitfähigkeit abhängt, kann auf diese Weise die Mikro­ wellenanregbarkeit des Zeoliths gezielt eingestellt werden.
Die bekannten hydrophoben Zeolithe eignen sich zwar als Ad­ sorptionsmittel, besitzen jedoch keine ausreichende Mikro­ wellen-Adsorptionsfähigkeit. Wie sich gezeigt hat, läßt sich die Mikrowellenadsorptionsfähigkeit hydrophober Zeoli­ the jedoch erhöhen.
Eine Möglichkeit dazu besteht darin, das Silici­ um/Aluminium-Verhältnis hydrophober Zeolithe herabzusetzen. Beispielsweise weist ein im Handel erhältlicher hydrophober Zeolith ein Silicium/Aluminium-Verhältnis von ca. 100 auf, während ein im Handel erhältlicher hydrophiler Zeolith ein Silicium/Aluminium-Verhältnis von etwa 1 besitzt. Demgemäß sollte das Silicium/Aluminium-Molverhältnis des Zeoliths mindestens 10 vorzugsweise mindestens 30 und weniger als 100, vorzugsweise höchstens 90 betragen, um Zeolithe zu er­ halten, die einerseits Mikrowellen absorbieren und anderer­ seits als Adsorptionsmittel geeignet sind.
Zur Einstellung eines solchen Silicium/Aluminium- Molverhältnisses kann z. B. ein handelsüblicher hydrophiler Zeolith mit Wasserdampf oder ein handelsüblicher hydropho­ ber Zeolith mit Siliciumtetrachlorid behandelt werden, um das Aluminium herauszulösen bzw. gegen Silicium auszutau­ schen.
Das mit den Schadstoffen beladene Adsorptionsmittel kann also, wenn es eine hinreichende Mikrowellen- Absorptionsfähigkeit besitzt, erfindungsgemäß direkt durch Mikrowellen-Anregung erwärmt werden. Es ist jedoch erfin­ dungsgemäß auch möglich, ein Adsorptionsmittel einzusetzen, das selbst keine ausreichende Mikrowellen- Absorptionsfähigkeit besitzt, sofern ein weiterer Feststoff in dem Adsorber vorliegt, der seinerseits eine hohe Mikro­ wellen-Adsorptionsfähigkeit aufweist und damit das Adsorp­ tionsmittel auf eine zur Desorption der organischen Stoffe ausreichende Temperatur aufheizt. Der mikrowellenabsorbie­ rende Feststoff kann z. B. ein hydrophiler Zeolith, Aktiv­ kohle, ein Polymeres oder dgl. sein.
Das Adsorptionsmittel kann mit dem mikrowellenabsorbieren­ den Feststoff im Gemisch vorliegen. Beispielsweise kann der Adsorber mit einem Gemisch aus einem (mikrowellen­ insensitiven) hydrophoben Zeolith und einem hydrophilen Zeolith als mikrowellenabsorbierendem Feststoff gefüllt sein. Das Gewichtsverhältnis des hydrophilen zu dem hydro­ phoben Zeolith in einem solchen Gemisch beträgt vorzugswei­ se 1 : 10 bis 1 : 3.
Das aus der Umgebungsluft adsorbierte Wasser kann durch Mikrowellenenergie sehr selektiv angeregt werden. Der Was­ sergehalt des beladenen Adsorbens kann durch das Mischungs­ verhältnis verschiedener Zeolithe (Zeolith-Typen, hydro­ phil-hydrophob) eingestellt werden. Dadurch ist der Ener­ gieeintrag bzw. das zu erreichende Temperaturniveau ein­ stellbar. Das desorbierte Wasser verdrängt ähnlich wie bei der Heiß-Wasserdampf-Desorption im Sinne einer Verdrän­ gungsdesorption die unpolaren, durch Mikrowellenenergie nicht direkt anregbaren Stoffe.
Durch die Verwendung von Mikrowellen wird mit der erfin­ dungsgemäßen Anlage die Energie schnell und mit hohem Wirkungsgrad für die Desorption zum Einsatz gebracht. Damit ist eine schnelle und verlustarme Desorption möglich.
Die zur Mikrowellendesorption eingesetzte Frequenz kann beispielsweise im Bereich von 100 MHz bis 10 GHz liegen; vorzugsweise liegt sie bei 2,45 GHz.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage kann der Oxidationska­ talysator, mit dem die adsorbierten organischen Stoffe oxi­ diert werden, dem Adsorptionsmittel entweder direkt zuge­ setzt werden oder die organischen Stoffe können desorbiert und in einem vom Adsorber getrennten Katalysator oxidiert werden.
Die organischen Stoffe werden durch die Desorptionsluft an dem Oxidationskatalysator zu Kohlendioxid und Wasser ver­ brannt. Die Desorptionsluft mit den oxidierten organischen Stoffen wird daher vorzugsweise dem Adsorber im Kreislauf zur Desorption wieder zugeführt. Die Verbrennungswärme und die durch die Konvektion aus dem Adsorber in die Desorpti­ onsluft gelangte Energie wird damit wieder der Desorption zugeführt (Wärmerückgewinnung).
Der Oxidationskatalysator kann beispielsweise Platin oder ein Metall der Platingruppe sein. Beispielsweise kann, wenn die Oxidation der organischen Stoffe bei der Regenerierung des Adsorbers im Adsorber erfolgt, der Zeolith oder das sonstige Adsorptionsmittel Platin in der Oxidationsstufe O (metallische Cluster) enthalten. Platin oder der sonstige Oxidationskatalysator führt zudem zu einer starken Erhöhung der Mikrowellen-Absorptionsfähigkeit des Adsorptionsmit­ tels.
Die erfindungsgemäße Anlage ist insbesondere zur Reinigung der Luft in von Personen benutzten Räumen bestimmt, insbe­ sondere zur Reinigung von Luft im Innenraum von Kraftfahr­ zeugen, einschließlich Flugzeugen, ferner in Gebäuden oder Schutzräumen, auch zum Schutz von kontaminierter Außenluft.
Zur Vorreinigung des zu reinigenden Luftstromes wird vor­ zugsweise ein Vorfilter zur Partikelabtrennung eingesetzt. Das Verkeimen von lufttechnischen Anlagen stellt ein nicht unerhebliches Gesundheitsrisiko dar. Gleichzeitig wird durch biologische Materialien auf dem Adsorptionsmittel die Adsorptionsleistung reduziert. Durch Bestrahlung des Vor­ filters zur Partikelabtrennung mit Mikrowellenenergie wird eine Verkeimung wirkungsvoll verhindert. Die Mikrowelle­ nenergie zur Bestrahlung des Vorfilters kann dabei von dem Mikrowellengenerator zur Bestrahlung des Absorbers stammen, oder es kann zur Bestrahlung des Vorfilters ein separater Mikrowellengenerator eingesetzt werden.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage anhand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine schematische Ansicht der Anlage zeigt.
Die Anlage besteht danach aus einem Adsorber 1, einer am Adsorber 1 angeordneten Mikrowelleneinheit 2 und einem vom Adsorber 1 getrennt angeordneten Katalysator 3.
Der Adsorber 1 ist als zylindrischer Körper ausgebildet, der auf beiden Seiten kreissegmentförmige Anschlüsse 5 und 8 bzw. 6 und 7 aufweist.
Der Adsorber 1 besteht aus Sektoren 9, die durch sich radial erstreckende Trennwände 16 voneinander getrennt sind. Der Adsorber 1 ist um eine Zylinderachse 4 in Richtung des Pfeiles 10 drehbar. Auf diese Weise werden die Sektoren 9 nacheinander mit den Anschlüssen 5 und 6 bzw. 7 und 8 ver­ bunden.
Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse 5 und 6 dienen zum Durchtritt der zu reinigenden Luft durch den Adsorber 1, also zum Eintritt der zu reinigenden Luft in bzw. aus dem Adsorber 1, wie durch die Pfeile 20 und 21 dargestellt. Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse 7 und 8 dienen zum Durchtritt der Desorptionsluft durch den Adsorber 1, also zum Eintritt in und zum Austritt aus dem Adsorber 1, wie durch die Pfeile 22 und 23 dargestellt.
Die Anschlüsse 5 bis 8 und der Adsorber 1 müssen relativ zueinander um die Zylinderachse 4 drehbar angeordnet sein. Das heißt, anstelle des Adsorbers 1, wie in der Zeichnung dargestellt, ist es auch möglich, die Anschlüsse rotierend und den Adsorber 1 feststehend auszubilden.
Der Katalysator 3 ist über eine Leitung, die durch den Pfeil 23 veranschaulicht ist, mit dem Austritt 8 für die Desorptionsluft verbunden. Die in dem Katalysator 3 zu Was­ ser und Kohlendioxid oxidierten organischen Stoffe werden mit der Desorptionsluft mit einem Gebläse 12 über die Lei­ tung 13 dem Adsorber 1 wieder zugeführt.
Die im Kreislauf geführte Desorptionsluft kann dazu der durch den Pfeil 22 dargestellten Desorptionsluftleitung zu­ geführt werden oder, wie in der Zeichnung dargestellt, ei­ nem weiteren segmentförmigen Anschluß 15 an der Seite des Adsorbers 1, an der auch der Anschluß 7 für die einströ­ mende Desorptionsluft 22 angeordnet ist. Der Anschluß 15 ist neben dem Anschluß 7 vorgesehen, und zwar in Rotati­ onsrichtung 10 des Adsorbers 1 vor dem Anschluß 7. Bei Zu­ fuhr des Kreislaufgases in den separaten Anschluß 15 kann das Gebläse 12 entfallen.
Die Mikrowelleneinheit 2 ist zur Abstrahlung der Mikrowelle auf den Sektor 9 des zylindrischen Adsorbers 1 ausgebildet, der die Anschlüsse 7 und 8 zum Durchtritt der Desorptions­ luft verbindet. Dazu kann die Mikrowelleneinheit 2 eine sich außen entlang dem Adsorber 1 erstreckende Antenne 17 mit einem Reflektor 16 aufweisen. Am Reflektor 16 ist der Mikrowellengenerator 14 angeordnet. Ein weiterer Reflektor 19 kann im Bereich der Rotationsachse 4 innerhalb des zy­ lindrischen Adsorbers 1 vorgesehen sein.
Die ausgetragenen Volumenanteile des oxidierten Desorbats können der gereinigten Luft 21 zugeführt werden.
Nach der Zeichnung wird die Desorptionsluft 22, 23 im Ge­ genstrom zu der zu reinigenden Luft 20, 21 geführt.
Ferner kann anstelle des Adsorbers 1 auch die Mikrowellen­ einheit 2 drehbar ausgebildet sein.

Claims (14)

1. Anlage zur Entfernung gasförmiger organischer Stoffe aus der Luft mit einem Adsorber, einer Mikrowellenein­ heit zur Regenerierung des Adsorptionsmittels des Adsor­ bers und einem Oxidationskatalysator, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Adsorber (1) als zylindrischer Kör­ per ausgebildet ist, der gegenüberliegend auf beiden Seiten um die Zylinderachse (4) relativ zu dem Adsorber (1) drehbare kreissegmentförmige Anschlüsse (5, 6; 7, 8) zum Durchtritt der zu reinigenden Luft (20, 21) und zum Durchtritt von Desorptionsluft (22, 23) aufweist, wobei die Mikrowelleneinheit (2) zur Abstrahlung der Mikrowellen auf den Sektor (9) des zylindrischen Adsor­ bers (1) ausgerichtet ist, der die Anschlüsse (7, 8) zum Durchtritt der Desorptionsluft (22, 23) verbindet.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (3) zur Oxidation der desorbierten organi­ schen Stoffe getrennt von dem Adsorber (1) angeordnet ist.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Desorptionsluft (22, 23) im Gegenstrom zu der zu reinigenden Luft (20, 21) geführt ist.
4. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Katalysator (3) oxi­ dierten organischen Stoffe der Desorptionsluft vor Ein­ tritt in den Adsorber (1) zugeführt werden.
5. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Katalysator (3) oxidierten organischen Stoffe einem kreissegment­ förmigen Anschluß (15) zum Eintritt in den zylindri­ schen Adsorber (1) zugeführt werden, wobei der Anschluß (15) auf der gleichen Seite des Adsorbers (1), jedoch in Rotationsrichtung (10) vor dem Anschluß (7) zum Eintritt der Desorptionsluft angeordnet ist.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowelleneinheit (2) zur Abstrahlung der Mikro­ wellen auf dem Sektor (9) des Adsorbers (1) zum Durch­ tritt der Desorptionsluft (22, 23) eine sich außen ent­ lang dem Adsorber (1) erstreckende Antenne (18) mit ei­ nem Reflektor (16) aufweist.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Reflektor (19) im Bereich der Rotati­ onsachse (4) des Adsorbers (1) vorgesehen ist.
8. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Adsorber (1) ein Vorfilter zur Partikelabtrennung vorgeschaltet ist, der der Mikrowel­ le einer Mikrowelleneinheit ausgesetzt ist.
9. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Oxidationskatalysator Platin oder ein Metall der Platingruppe ist.
10. Anlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (1) ein mikrowellen­ absorbierendes Adsorptionsmittel und/oder einen mikrowel­ lenabsorbierenden Feststoff enthält, der in dem Adsor­ ber (1) zusammen mit dem Adsorptionsmittel vorliegt.
11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der mikrowellenabsorbierende Feststoff ein hydrophiler Zeolith ist, der im Gemisch mit dem Adsorptionsmittel vorliegt.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel ein hydrophober Zeolith ist.
13. Anlage nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis des hydrophilen zu dem hy­ drophoben Zeolith 1 : 10 bis 1 : 30 ist.
14. Verwendung der Anlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che zur Reinigung der Luft in von Personen genutzten Räu­ men.
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